結構光三維測量系統(tǒng)誤差分析、控制及補償技術的研究.pdf

1、結構光三維測量技術因其具有非接觸、無損、高效率、高分辨率、全場測量、可測易變形易碎物體等特性，在產品設計與制造、產品檢測和質量控制、醫(yī)學工程、虛擬現(xiàn)實、人體測量、文物保存等行業(yè)都有很大的應用發(fā)展?jié)摿?，已成為三維精密測量領域近年來的一個研究熱點。隨著科學技術的進步，各行業(yè)對結構光三維測量技術的測量準確度、測量精度、數(shù)據質量及穩(wěn)定性等性能要求也日益提高。因此，如何提高結構光三維測量技術的測量性能以不斷滿足這些行業(yè)的需求已成為當前迫切需要解決

2、的問題。本文研究以提高基于格雷碼和相移結合編碼的結構光三維測量系統(tǒng)性能為目標，在對測量系統(tǒng)設計、制造和使用過程中各類誤差影響因素進行系統(tǒng)分析的基礎上，提出以測量系統(tǒng)數(shù)學建模、模型參數(shù)標定、相位誤差補償以及綜合誤差補償為關鍵技術的誤差控制與補償綜合解決方案，實現(xiàn)測量系統(tǒng)性能的改進。
　　 結構光三維測量系統(tǒng)的數(shù)學建模主要針對攝像機和投影儀的透視成像過程以及從二維圖像實現(xiàn)三維坐標重建的方法進行數(shù)學描述。測量系統(tǒng)數(shù)學模型的準確性對系統(tǒng)

3、測量準確度和精度至關重要。論文研究了典型的測量系統(tǒng)數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)存在兩個嚴重影響系統(tǒng)建模精度的問題：1）要求系統(tǒng)組成構件相互位姿關系滿足一定的幾何約束條件，導致測量系統(tǒng)加工和裝配誤差對系統(tǒng)測量精度產生較大影響；2)受投影儀一維編碼的限制，投影儀的建模精度普遍不高。針對這兩問題，論文提出了基于光線逆向投影的測量系統(tǒng)數(shù)學建模方法。通過合理選擇建模參數(shù)，消除所有系統(tǒng)構件對尺寸及位姿的幾何約束要求，降低測量系統(tǒng)加工和裝配的精度要求；同時，提出的

4、光線逆向投影的三維坐標重建方法使投影儀也可采用和攝像機完全一致的高階鏡頭失真模型，提高其建模精度。仿真測量實驗表明光線逆向投影模型較現(xiàn)有的參考相位模型和線面求交模型可提高近一個數(shù)量級的測量準確度及精度。
　　 結構光三維測量系統(tǒng)標定是通過實驗和計算精確獲取系統(tǒng)數(shù)學模型參數(shù)的過程，是保證系統(tǒng)測量準確度和精度的關鍵。論文分析了現(xiàn)有測量系統(tǒng)標定方法在標定模型、標定參考物以及標定流程存在的不足，提出了基于三維柵格點陣的結構光三維測量系統(tǒng)

5、同步標定方法，其改進體現(xiàn)在以下方面：1）在標定模型上，采用了考慮高階鏡頭失真的攝像機和投影儀模型以及測量系統(tǒng)參數(shù)同步優(yōu)化求解模型，提高測量系統(tǒng)標定精度；2)在標定參考物上，采用在測量空間均勻分布并處于同一世界坐標系的高精度三維柵格點陣，避免系統(tǒng)標定精度受標定參考物精度不足以及空間不均勻分布的影響；3）在標定流程上，采用投影儀二維正交編碼的方式同步提取三維柵格點的攝像機和投影儀二維對應點，解決了兩步標定法中攝像機標定結果影響投影儀標定基礎

6、數(shù)據提取精度的問題。25mm標準距離測量結果表明本文的測量系統(tǒng)同步標定方法較現(xiàn)有標定方法提高了至少47％測量準確度以及28％測量精度。
　　 由于現(xiàn)有投影技術很難準確提供結構光三維測量系統(tǒng)所需的數(shù)學上完美的正弦分布相移光強信號，這導致計算獲得的物體相位與其理想相位存在一定誤差，從而引起測量數(shù)據周期性波動，嚴重降低測量點云質量。針對這一問題，提出了基于平滑樣條曲線擬合的相位誤差補償方法。在分析參考平面相位非線性以及波動性特征的基礎

7、上，采用平滑樣條擬合的方法從參考平面相位中精確提取測量系統(tǒng)相位誤差分布曲線。該相位誤差分布曲線可作為系統(tǒng)參數(shù)用于被測物相位的補償。對于補償后被測物相位殘差，提出基于平滑樣條擬合的相位殘差消除方法作迸一步處理。平面測量實驗表明使用相位誤差分布曲線可減小70％被測物相位誤差；經過相位殘差消除處理后，可進一步獲得65％的改進。
　　 結構光三維測量系統(tǒng)經過系統(tǒng)建模、標定和相位誤差補償后仍然不可避免存在著測量誤差。這種測量誤差是由系統(tǒng)模

8、型精度、標定精度等多因素耦合作用而成，因此本文研究中稱之為測量系統(tǒng)的綜合誤差，并提出了基于三維柵格點陣的綜合誤差實時補償方法。該方法包括四個主要流程：1）使用高精度三維柵格點陣以獲得精確的測量系統(tǒng)標定及綜合誤差補償基礎數(shù)據；2)統(tǒng)一了測量系統(tǒng)的測量、標定和綜合誤差補償坐標系，避免數(shù)據擬合求解坐標系位姿轉換關系而產生的誤差；3)使用基礎數(shù)據實現(xiàn)測量系統(tǒng)標定后，即可精確獲取綜合誤差的空間分布；4)測量系統(tǒng)綜合誤差分布可通過八點空間插補法對測